Трехключевой прямоходовый сварочный инвертор с коэффициентом заполнения 66%

Всем датагорцам привет! Предлагаю для общего развития изучить довольно интересную схему прямоходового преобразователя с коэффициентом заполнения более 50 %, а именно 66,6 %. Сегодня на базе этой схемы построим сварочник и посмотрим несколько ключевых осциллограмм. Конечно, данная статья не является пошаговым руководством к сборке такого инвертора. Цель тут скорее — показать какую-то необычную, интересную схему и то, как она работает.

↑ Схема силовой части сварочника

Схема не новая. На эту схему у компании Texas Instruments Incorporated имеется патент за авторством тов. John Bottrill от 16 марта 2004 года. Номер патента — US 6,707,690 B1.

Статус патента: патент был выдан 16 марта 2004 года. Стандартный срок действия полезных патентов в США составляет 20 лет с даты приоритета/подачи заявки. Это означает, что на текущий момент (2026 год) срок действия патента уже истёк и технология перешла в общественное достояние, что снимает любые лицензионные ограничения.

↑ Давайте разберём, как работает схема

Мы видим, что первичка разделена на две полуобмотки, включённые последовательно с силовыми транзисторами, а также каждая полуобмотка через пару своих размагничивающих диодов подключается к шине 310 В. Таким образом, когда на транзисторы приходит управляющий сигнал, они открываются, и 310 В прикладывается к включённым последовательно полуобмоткам. Получается по 155 В на обмотку. Когда транзисторы закрываются, каждая полуобмотка подключается к 310 В через свои размагничивающие диоды, и таким образом каждая полуобмотка размагничивается в 2 раза быстрее, чем намагничивается. Получаем максимально возможный теоретический коэффициент заполнения (Кзап) — 66,6 %.

Вопрос: можно ли этих «этажей» с полуобмотками и транзисторами добавить? — Да, можно: при 4 «этажах» получим Кзап 75 % и т. д.

↑ Неудача с ШИМ-контроллером UC3842(3)

Первая мысль: берём UC3842(3) и подбором частотозадающей RC-цепочки добиваемся нужного нам Кзап импульса. Я первый раз так и сделал. И даже в принципе работало, но я получил просто жесточайшую нестабильность частоты и Кзап — вплоть до того, что выключаешь и уходишь домой, а на следующий день приходишь, включаешь, — и всё работает не так, как вчера.

Сохранилось пара фоток. Во-первых, трансформатор был намотан на кольце 63_38_25 и содержал 2×16 витков из провода диаметром 0,8 мм, скрученного из 6 жил. Кроме того, полуобмотки мотались одновременно — как я потом понял, так делать нельзя. Надо минимизировать межобмоточную ёмкость.

А вот трансформатор полностью в сборе.

Приблизительно вот так была собрана силовая часть. Видим три силовых транзистора и четыре силовых диода, трансформатор, выпрямитель (по 4 диода STTH6003 в плечо, установленные на изолированной медной пластине), дроссель, ну и собственно выход.

А вот контроллер на плате, вид сверху. Снизу там все СМД-элементы, в том числе UC3842 и т. д. В середине платы видим два спараллельных зелёных конденсатора и подстроечный резистор — как раз эта цепь и отвечает за частоту и Кзап. А в верхней части платы — блок питания.

Ну, в общем, так как устройство нормально не работало по причине нестабильности частоты и Кзап, я засунул этот проект в долгий ящик и принялся потихоньку подбирать и искать другие контроллеры, которые отвечали бы требованиям схемы.

↑ Идея от Руслана Гафарова

Но потом я наткнулся-ка на видеоролик камрада Руслана Гафарова, в котором предлагается реализовать нужный мне Кзап, да причём очень точно его подстроить, и всё это на микросхеме UC3845. Для этого всего лишь надо на выход микросхемы (вывод 6) подключить транзистор (я использовал биполярный p-n-p 2N3906), который при отсутствии управляющего импульса на выходе микросхемы открывается и подключает к Vref дополнительный резистор зарядки частото-задающего конденсатора.

↑ Смотрим схему на UC3845

Из схемы видно, что когда на выходе нет управляющего импульса, транзистор VT1 открывается и через резистор R10 (Rt») ускоряет зарядку конденсатора C7, тем самым сокращая время паузы между импульсами. Нетрудно догадаться, что подбором резисторов R7 и R10 можно с очень высокой точностью подстроить время импульса и время паузы.

Однако у такой схемы есть особенность (некоторые говорят, что это недостаток, но я не могу назвать его недостатком), а именно: можно заметить, что чем короче импульс прямого хода, тем выше получается частота преобразования. Чтож, так даже ещё интереснее!

Для реализации в железе я изготовил одну плату, на которой разместил все компоненты.

↑ Выходной трансформатор

Начать я решил с выходного трансформатора. Так как частота у нас изменяется, логично предположить, что при максимально возможной длине импульса у нас должна быть минимально возможная частота. Я принял порядка 21 кГц. Расчёты вёл во всём известной программе камрада Старичка. Однако она не позволяет задать Кзап более 50 %, поэтому я рассчитывал через пропорции от длительности импульса.

Например, если в классическом косом мосте (в контексте сварочника) коэффициент трансформации равен трём, то отсюда следует, что 3 относится к 50 % так же, как Х относится к 66 %, где Х — это наш коэффициент трансформации. После решения этой пропорции и округления результата до целого числа получаем Ктр = 4. Аналогично я считал длину импульса, паузы, период, частоту и т. д.

Кроме того, трансформатор должен быть оптимизирован, то есть в идеале все обмотки должны помещаться в один слой, и при этом трансформатор должен иметь приемлемую плотность тока. А также трансформатор должен быть нормального размера, чтобы без проблем поместиться на плате. С такой задачей справляются два комплекта феррита Е80_38_20 — как раз у меня нашёлся и каркас под них.

Мне надо было намотать 19 витков половины первички. А для более-менее вменяемого теплового режима трансформатора толщина первички должна быть 8 жил провода 0,8 мм. Ну и, конечно, в один слой 19 витков нифига не поместилось, а поместилось только 17 витков. Чтож, поднимем частоту преобразования до примерно 24 кГц, и всё будет хорошо. Кроме того, я решил мотать так: первая полуобмотка первички, потом вся вторичка, потом вторая полуобмотка первички. Вот пара фоток процесса: первая полуобмотка:

А вот так выглядит вся вторичка.

Ну и соответственно вторая полуобмотка первички.

Трансформатор в сборе.

Итак, двигаемся дальше. Надо разместить трансформатор на плате, а также силовые компоненты и всё остальное. Кстати, под дроссель на плате место не предусмотрено, его надо лепить отдельно.

↑ Сборка

Как я разместил 7 силовых компонентов: три транзистора я разместил, как положено, на радиаторе, а четыре диода размагничивания мы разместим снизу радиатора. На выводы транзисторов надеваем какие-то защитные изоляционные элементы:

Вот так они в итоге устанавливаются.

Не забываем вначале прикрутить транзисторы к радиатору (через термопрокладку, разумеется) и только потом запаивать входные электролиты:

А четыре размагничивающих диода располагаем внизу радиатора и потом соединим проводами.

И вот ещё фотография.

Трансформатор, конечно, без молотка и напильника ну никак не хотел устанавливаться.

↑ Драйвера силовых ключей — навесом!

Установив трансформатор, я понял, что забыл развести на плате компоненты драйверов силовых ключей. Чтож, не очень-то красиво, но выхода нет, придётся их паять навесным монтажом. Схема, понятное дело, вполне классическая:

↑ Борьба с ТГР

После распайки драйверов я озадачился, чем и как вообще качать ключи. Необходимо было убедиться, что узел раскачки ключей на нашей частоте и Кзап работает адекватно. Намотал ТГР на кольце 25_15_10 — 22 витка, подключил, стал смотреть осциллограммы. Помним про электробезопасность: мотаем ТГР только специально предназначенным для этого проводом. Предварительно я настроил частотозадающие резисторы и конденсатор на требуемые параметры: частоту 24 кГц и Кзап около 65 %. На выходе микросхемы осциллограмма вполне себе красивая:

Однако на выходе ТГР она на максимальной длине импульса не такая красивая, но на небольшой длине импульса вполне нормальная. Вот на небольшой длине такая осциллограмма:

А вот на полной длине. Видим в конце импульса загиб, значит ТГР входит в насыщение.

↑ Схема раскачки ТГР

Да, вот схема раскачки ТГР. Принцип: раскачивается ключом Т4, размагничивается потом через стабилитроны VD9, VD10.

Причём эта осциллограмма — на ненагруженном ТГР, то есть его выводы висят в воздухе. Я решил ещё поднять частоту, чтоб избавиться от этого явления. Однако, когда я подключил нагрузку — а именно драйверы силовых ключей с запаянными ключами, — я опять увидел насыщение сердечника.

Чтобы это побороть, я решил взять просто ТГР побольше.

Однако потом я вспомнил, что раз у нас ТГР работает в однотактном режиме, то надо просто ввести зазор, и всё должно быть идеально. Собственно, так и получилось: кольцо 25_15_10 пилим болгаркой, и на определённом этапе оно просто раскалывается на 2 части.

Вот такой красивый импульс видим на затворах.

Следим за фазировкой ТГР. Если перепутана фазировка, то импульс будет выглядеть вот так:

После установки ТГР на плату получилось вот так:

↑ Запуск

Итак, мы рассчитали силовой трансформатор, добились чёткого импульса на затворах силовых ключей, точно выверили частоту и Кзап, установили и закрепили все элементы на плате (кроме дросселя). Будем подключать на ЛАТР и потихоньку подавать силовое питание. Подключаем осциллограф к выводам вторички трансформатора, вся схема у нас запитана от лабораторника, ЛАТР уведён в «0». В общем, подключил я всё как надо и стал медленно поднимать ЛАТРом напряжение. Вижу вот такую осциллограмму:

↑ Ошибка

Странно. Мягко говоря, это не совсем то, что я ожидал увидеть. Как оказалось, на плате, кроме того что я забыл развести компоненты драйверов силовых ключей, я допустил ещё одну серьёзную ошибку: смотрим внимательно, как подключены коллектор и эмиттер правого силового транзистора. Они перепутаны местами. Вот посмотрите внимательно:

↑ Вывод: никогда не надо спешить)

 Ладно, берёмся опять за напильник и допиливаем плату до правильного варианта. И припаиваем снабберы на каждый транзистор: у меня это резистор 22 Ом и керамический диск на 2200 pF. Вот нормальная осциллограмма на вторичке, когда всё сделано правильно:

Ну и покрупнее:

Отчётливо видим «вольтсекундное равенство» участка прямого хода и участка размагничивания.

Далее осциллограмма на трансформаторе тока в режиме холостого хода. Отчётливо видим разницу скорости намагничивания и размагничивания:

А вот посмотрите на осциллограмму напряжения частотозадающего конденсатора. Что можно про неё сказать? Что мы тут отчётливо видим?

А вот осциллограмма выхода трансформатора с небольшой нагрузкой — «можно ещё немного подкрутить длительность прямого такта».

Вот такая осциллограмма на коллектор-эмиттере силового ключа. Какого? — Не знаю, на всех трёх одинаковая. Ноль осциллографа смещён к низу экрана.

Я настроил регулировку тока в пределах 20…160 Ампер.

↑ Выводы

Это интересная рабочая схема. Применять её где-то в коммерческих проектах? Вряд ли. Вместо 4 ключей полного моста здесь 7 силовых компонентов: 3 ключа и 4 диода — для достижения такой же, а то и большей мощности.

Плюс сложность намотки силового трансформатора: необходимо разделить первичку и строго сфазировать все обмотки. Отсюда сложность разводки силовой части, да и вопрос надёжности при почти вдвое большем количестве силовых компонентов.

В общем, не знаю. Так-то прикольно работает, и не более. Кстати, напишите в комментариях: интересно было бы почитать про полномостовой сварочник?

↑ Видео

🔗Видео на disk.yandex.ru, ~100 Mb

момент запуска, потом «гармошка» импульсов при изменении нагрузки от минимальной до максимальной — отчётливо видно, как меняется частота преобразования, а также выходные параметры: напряжение и ток. Ну и немного сварки в конце ролика.

↑ Файлы

Патент: 🎁6707690 Патент.pdf  534.28 Kb ⇣ 0

ВНИМАНИЕ! Ошибки на этом чертеже платы не исправлены (1 — отсутствуют драйверы силовых ключей; 2 — перепутаны коллектор и эмиттер силового транзистора). Если переделаете, присылайте, прикрепим от вашего имени.

↑ Источники, полезные ссылки

🔗 Немного иностранщины про такой же трёхключевой конвертер

🔗 Канал Руслана Гафарова

Спасибо за внимание!